纯碱制造工艺的发展历程.doc

_纯碱制造工艺的发展历程纯碱，化学名叫做碳酸钠，俗名苏打。化学式：Na2CO3，普通情况下为白色粉末，为强电解质。密度为2.532g/cm3，熔点为851，易溶于水，具有盐的通性。纯碱是一种重要的基本化工原料，广泛应用于建材、轻工、化工、冶金、纺织等工业部门和人们的日常生活。在建材方面主要用于制造平板玻璃；在轻工方面主要用于洗衣粉、三聚磷酸钠、保温瓶、灯泡、白糖、塘瓷、皮革、日用玻璃、造纸等；在化工方面主要用于苛化烧碱、小苏打、红矾钠、硝酸钠、亚硝酸钠、硅酸钠、硼砂等；在冶金方面主要用作冶炼助熔剂等。另外，纯碱还可用于显像管、石油、医药、国防军工等部门。早期纯碱都是取自天然的植物碱或矿物碱，由于技术落后，产量很低，渐渐地无法满足人们的生活需求。随着18世纪中期工业革命从英国开始后，纺织、印染、造纸、制皂和玻璃等工业需求的碱量剧增，单靠从植物碱和矿物碱提取的碱明显不足，人工制碱在这个时候诞生了。一、吕布兰法1.产生背景1783年，法国科学院以1200法郎高额奖金悬赏征求制造纯碱的方法。1789年，法国奥尔良地区封建主公爵的侍从医生吕布兰（NLeblanc,17421806）成功地创造了一种制碱的方法，1791年获得专利，建立起日产250300 kg的碱厂。吕布兰制碱法所用的原料主要有食盐、硫酸、木炭和石灰石。直到20世纪20年代被索尔维法所取代。2.生产工艺第一步利用硫酸将食盐转变为硫酸钠： 2NaCl + H2SO4=Na2SO4 + 2HCl 第二步将硫酸钠与木炭、石灰石在炉中共热。炉中硫酸钠与木炭作用后生成硫化钠和一氧化碳： Na2SO4 + 4C=Na2S + 4CO 接着硫化钠与石灰石（CaCO3）进行反应，生成碳酸钠和硫化钙： Na2S + CaCO3=Na2CO3 + CaS 由于产物中混有未反应的黑炭，因此产物成黑色灰状物，称为黑灰。黑灰中含40%45%的碳酸钠。 第三步将黑灰用水浸取，溶液经浓缩后碳酸钠结晶析出。硫化钙不易溶于水，沉淀成渣子被弃掉。吕布兰制碱法掀起了化工制碱，解决了当时严重缺碱的现象，促进了社会发展，具有跨时代的意义。但是由于副产物CaS、HCl未能得到有效的回收，给环境造成了严重影响，产生了不小的负面影响，为了更好的可持续性发展，对吕布兰法的革新迫在眉睫。1836年肥皂制造商科塞（WGossage，17991877）创造用焦炭填充的洗涤塔。在塔内使从塔底上升的氯化氢气体被下降的水吸收，制得盐酸。1866年生产工作者迪肯（HDeacon，18221876）和胡尔特（FHurter，18441896）将此氯化氢气体与预热的空气混合通过铜和锰的氧化物，生成氯气： 4HCl + O2=2H2O + 2Cl2 然后将氯气通入石灰水中，得到漂白液： 2Cl2 + 2Ca(OH)2=Ca(ClO)2 + CaCl2 + 2H2O 工业化学家钱斯（AMChance，18441917）将含有二氧化碳的烟道气通入生产废料中，使废料硫化钙转变成硫化氢，然后用氧气氧化成硫磺： CaS + CO2 + H2O=CaCO3+ H2S 2H2S + O2=2S+ 2H2O对吕布兰法进行革新后污染物减少了，有用副产品增加了，此举大大推动了制碱业的发展。3.历史意义面临产业革命的急需，吕布兰法制纯碱等技术应运而生，这使已有的铅室法制硫酸也得到发展，解决了纺织、玻璃、肥皂等工业对酸、碱的需要。有力的带动了工业浪潮的发展，书写了化学史上新的篇章。二、索尔维制碱法1.产生背景欧内斯特索尔维(E.Ernest Solvay 1838-1922)，比利时工业化学家。1860年索尔维到其叔父的煤气厂工作，研究煤气废液的用途。他想从废液中提取碳酸铵，但实验失败。1861年他又用氨溶液、二氧化碳与食盐混合制成碳酸钠（称为氨碱法），但不知此反应已为前人发现过了。当年他获得比利时政府给他的专利，在布鲁塞尔开设一个小厂从事试验。1863年创办一个正式的制碱工厂，实现了氨碱法的工业化，此时他才知道以前已有人取得氨碱法制碱的专利权，但均未能实现工业生产。索尔维制碱法在世界上获得迅速发展，到20世纪20年代，已完全取代吕布兰制碱法。2.生产工艺第一步：使氨气通入饱和食盐水中而成氨盐水，再通入二氧化碳生成溶解度较小的碳酸氢钠沉淀和氯化铵溶液。NaClNH3H2OCO2=NaHCO3NH4Cl将经过滤、洗涤得到的NaHCO3微小晶体。第二步：加热煅烧制得纯碱产品。2NaHCO3=Na2CO3H2OCO2放出的二氧化碳气体可回收循环使用。第三步：含有氯化铵的滤液与石灰乳Ca(OH)2混合加热，所放出的氨气可回收循环使用。CaOH2O=Ca(OH)22NH4ClCa(OH)2=CaCl22NH32H2O 3.历史意义氨碱法使生产实现了连续性生产，食盐的利用率得到提高（原盐利用率72%74%），产品质量纯净，因而被称为纯碱，但最大的优点还在于成本低廉。1867年索尔维设厂制造的产品在巴黎世界博览会上获得铜制奖章，此法被正式命名为索尔维法。此时，纯碱的价格也大大降低了，有利于化工产业链的良性发展。后被更为先进的侯氏制碱法取代。三、联合制碱法1.产生背景1862年，比利时人索尔维（Ernest Solvay 18381922）发明了以食盐、氨、二氧化碳为原料制取碳酸钠的“索尔维制碱法”（又称氨碱法）。此后，英、法、德、美等国相继建立了大规模生产纯碱的工厂，并组织了索尔维公会，对会员以外的国家实行技术封锁。第一次世界大战期间，欧亚交通梗塞。由于我国所需纯碱都是从英国进口的，一时间，纯碱非常缺乏，一些以纯碱为原料的民族工业难以生存。1917年，爱国实业家范旭东在天津塘沽创办了永利碱业公司,决心打破洋人的垄断，生产出中国的纯碱。他聘请正在美国留学的侯德榜先生出任总工程师。1920年，侯德榜先生毅然回国任职。他全身心地投入制碱工艺和设备的改进上，终于摸索出了索尔维法的各项生产技术。1924年8月,塘沽碱厂正式投产。终于在1926年生产出合格的纯碱。2.生成工艺第一步：氨气与水和二氧化碳反应生成一分子的碳酸氢铵。NH3+H2O+CO2=NH4HCO3第二步：碳酸氢铵与氯化钠反应生成一分子的氯化铵和碳酸氢钠沉淀。NH4HCO3+NaCl=NH4Cl+NaHCO3碳酸氢钠之所以沉淀是因为它的溶解度较小。 根据 NH4Cl 在常温时的溶解度比 NaCl 大，而在低温下却比 NaCl 溶解度小的原理，在 278K 283K(5 10 ) 时，向母液中加入食盐细粉，而使 NH4Cl 单独结晶析出供做氮肥。表1碳酸氢铵等四种盐在不同温度下的溶解度（g/100g H2O）温度（）0102030405060708090100NaHCO36.98.159.611.112.714.516.4NaCl35.735.836.036.336.637.037.337.838.439.039.8NH4HCO311.915.821.027.0NH4Cl29.433.837.241.445.850.455.260.265.671.377.3第三步：碳酸氢铵受热分解成碳酸钠、水和二氧化碳气体。碳酸钠结晶析出后即得到产品纯碱。2NaHCO3（加热）=Na2CO3+H2O+CO2 综上所述，实际生产中化学原理就是即：NaCl(饱和)+NH3+H2O+CO2=NH4Cl+NaHCO3 2NaHCO3（加热）=Na2CO3+H2O+CO23.历史意义为了实现中国人自己制碱的梦想，揭开索尔维法生产的秘密，打破洋人的封锁，侯德榜把全部身心都投